基于幻方变换的HEVC熵编码加密方案

doi:10.11959/j.issn.1000-0801.2018015

电信科学 ›› 2018, Vol. 34 ›› Issue (3): 95-104.doi: 10.11959/j.issn.1000-0801.2018015

基于幻方变换的HEVC熵编码加密方案

徐博文,王晓东,郭磊,王健

宁波大学信息科学与工程学院，浙江宁波 315211

修回日期:2017-11-10 出版日期:2018-03-01 发布日期:2018-04-02
作者简介:徐博文（1993-），男，宁波大学信息科学与工程学院硕士生，主要研究方向为视频图像处理、多媒体信息安全技术。|王晓东（1970-），男，宁波大学信息科学与工程学院教授、硕士生导师，主要研究方向为图像及视频信息处理、多媒体通信、信息安全。近年来在核心刊物和国际会议上发表论文30余篇，其中 SCI/EI 检索论文20篇，主持和参与国家科技支撑计划项目1项、国家自然科学基金项目4项、浙江省自然基金项目7项、浙江省科技计划项目1项。|郭磊（1993-），男，宁波大学信息科学与工程学院硕士生，主要研究方向为视频编码、视频图像处理。
基金资助:
国家科技支撑计划基金资助项目(2012BAH67F01);国家自然科学基金资助项目(U1301257);浙江省教育厅科研计划基金资助项目(Y201327703);浙江省自然科学基金资助项目(Y1110161);宁波市科技创新团队研究计划基金资助项目(2011B81002)

A video encryption in HEVC entropy coding based on magic square

Bowen XU,Xiaodong WANG,Lei GUO,Jian WANG

Institute of Communication Technology,Ningbo University,Ningbo 315211,China

Revised:2017-11-10 Online:2018-03-01 Published:2018-04-02
Supported by:
National Science and Technology Program(2012BAH67F01);The National Natural Science Foundation of China(U1301257);Research Project of Zhejiang Provincial Education Department(Y201327703);Zhejiang Provincial Natural Science Foundation of China(Y1110161);Science and Technology Innovation Team Research Project of Ningbo(2011B81002)

摘要/Abstract

摘要：

针对多媒体信息安全问题，基于高效视频编码标准（HEVC/H.265）的熵编码模块，结合幻方变换矩阵，设计了一种具有实时性和高效性的面向高清视频流的加密算法。该算法有效利用变换系数的分布稀疏性，置乱变换块（TB）的系数组（CG），并对 CG 熵编码的语法元素进行了选择性加密。实验结果表明，本文的加密方案具有高安全性，保证格式兼容性并仅对编码比特率造成很小的影响，满足视频加密保护的需求。

关键词: HEVC, 幻方矩阵, 熵编码, 变换系数, 选择性加密

Abstract:

In view of the multimedia information security,based on the entropy module on high efficiency video coding (HEVC/H.265),combined with the magic square,a real time and high efficiency encryption technique for high-definition video streaming was proposed.The algorithm which had an effective use of transform coefficient sparsity enabled coefficient group (CG) of transform block (TB) scrambling,and used a selective encryption on syntax elements in CG's entropy.The experiments prove that the investigated scheme has high security,which can guarantee the standard compliance and the demand of video encryption while having a low impact on encoding-rate performance.

Key words: high efficiency video coding, magic square matrix, entropy coding, transform coefficient

中图分类号:

TP391

徐博文,王晓东,郭磊,王健. 基于幻方变换的HEVC熵编码加密方案[J]. 电信科学, 2018, 34(3): 95-104.

Bowen XU,Xiaodong WANG,Lei GUO,Jian WANG. A video encryption in HEVC entropy coding based on magic square[J]. Telecommunications Science, 2018, 34(3): 95-104.

图/表 14

图1

图2

图3

图4

图5

图6

图7

图8

表1

表2

图9

图10

表3

表4

参考文献 15

[1]	SULLIVAN G J ， OHM J , HAN W J , et al. Overview of the high efficiency video coding (HEVC) standard[J]. IEEE Transactions on Circuits ＆ Systems for Video Technology, 2012,22(12):1649-1668.
[2]	ASGHAR M N ， GHANBARI M . An efficient security system for CABAC bin-strings of H.264/SVC[J]. IEEE Transactions on Circuits ＆ Systems for Video Technology, 2013,23(3):425-437.
[3]	AHN J ， SHIM H J , JEON B , et al. Digital video scrambling method using intra prediction mode[J]. Lecture Notes in Computer Science, 2004(3333):386-393.
[4]	朱文斌 . 基于 H.265的视频信息安全传输的研究[J]. 网络安全技术与应用， 2016(10):47-49.
	ZHU W B . Research on secure transmission of video information based on H.265[J]. Network Security Technology and Application, 2016(10):47-49.
[5]	BOYADJIS B ， BERGERON C , PESQUET-POPESCU B , et al. Extended selective encryption of H.264/AVC (CABAC) and HEVC encoded video streams[J]. IEEE Transactions on Circuits＆ Systems for Video Technology, 2016:1.
[6]	OUAMRI M ， FARAOUN K M . Robust and fast selective encryption for HEVC videos[J]. Journal of Communications Software ＆ Systems, 2014,10(4):221-229.
[7]	丁玮，齐东旭 . 数字图像变换及信息隐藏与伪装技术[J]. 计算机学报， 1998,21(9):838-843.
	DING W , QI D X . Digital image transformation and information hiding and masking technology[J]. Journal of Computer Science, 1998,21(9):838-843.
[14]	ZHONG W , DENG Y H , FANG K T . Image encryption by using magic squares[C]// International Congress on Image and Signal Processing,Biomedical Engineering and Informatics, October 14-16, 2017, Shanghai,China.Piscataway: IEEE Press, 2017,771-775.
[9]	姚英彪，李晓娟 . 基于图像空间相关性与纹理的HEVC块划分快速算法[J]. 电信科学， 2015,31(1):32-40.
	YAO Y B ， LI X J . Fast algorithm for HEVC block partitioning based on image spatial correlation and texture[J]. Telecommunications Science, 2015,31(1):32-40.
[10]	OLLERENSHAW D K ， BONDI H . Magic squares of order four[J]. Philosophical Transactions of the Royal Society A Mathematical Physical ＆ Engineering Sciences, 1982,306(1495):443-494.
[11]	ZHOU M ， GAO W , JIANG M , et al. HEVC lossless coding and improvements[J]. IEEE Transactions on Circuits ＆ Systems for Video Technology, 2012,22(12):1839-1843.
[12]	郭芳，张家树 . 基于 H.265的安全高效的指数哥伦布编解码方案[J]. 计算机应用与软件， 2013(10):85-86.
	GUO F ， ZHANG J S . A safe and efficient index Columbo encoding and decoding scheme based on H.265[J]. Computer Applications and Software, 2013(10):85-86.
[13]	BOHO A ， WALLENDAEL G V , DOOMS A , et al. End-to-end security for video distribution:the combination of encryption,watermarking,and video adaptation[J]. IEEE Signal Processing Magazine, 2013,30(2):97-107.
[14]	YANG M , ZHUO L , ZHANG J , et al. An efficient format compliant video encryption scheme for HEVC bitstream[C]// IEEE International Conference on Progress in Informatics and Computing, October 5, 2016, Austin,TX,USA.Piscataway: IEEE Press, 2016:374-378.
[15]	陈谢 . 基于H.265的视频加密算法研究与实现[D]. 杭州：杭州电子科技大学， 2016.
	CHEN X . Research and implementation of video encryption algorithm based on H.265[D]. Hangzhou: Hangzhou Dianzi University, 2016.

序列	帧数	帧率(f·s^-1)	分辨率
Traffic	60	30	2 560 dpi×1 600 dpi
Kimono	60	24	1 920 dpi×1 080 dpi
Johnny	60	60	1 280 dpi×720 dpi
ChinaSpeed	60	30	1 024 dpi×768 dpi
BaksetballDrill	60	50	832 dpi×480 dpi
BasketballPass	60	50	416 dpi×240 dpi
BlowingBubbles	60	50	416 dpi×240 dpi

序列	QP22/dB		QP27/dB		QP32/dB		QP37/dB
序列	未加密	加密	未加密	加密	未加密	加密	未加密	加密
Traffic	43.35	9.96	40.16	8.03	37.12	9.08	34.10	7.55
Kimono	43.01	8.35	41.66	9.30	39.82	7.02	37.40	6.33
Johnny	44.04	10.70	41.88	10.38	39.59	10.97	37.00	10.20
ChinaSpeed	45.18	6.11	41.31	5.20	37.52	3.77	33.82	3.71
BaksetballDrill	41.77	12.15	38.41	7.60	35.46	9.28	32.83	9.60
BasketballPass	42.86	9.54	39.34	11.82	35.91	9.58	32.78	10.47
BlowingBubbles	42.71	10.41	37.55	10.45	33.52	9.23	29.33	6.81
平均	43.28	9.60	40.04	8.97	36.99	8.42	33.89	7.81

序列	QP22	QP27	QP32	QP37	平均
Traffic	+0.76%	+1.14%	+1.43%	+1.69%	+1.25%
Kimono	+1.89%	+2.36%	+2.42%	+2.52%	+2.30%
Johnny	+0.92%	+0.90%	+1.10%	+1.24%	+1.04%
ChinaSpeed	+3.46%	+2.74%	+1.82%	+0.44%	+2.11%
BaksetballDrill	+0.83%	+1.04%	+1.02%	+1.01%	+0.97%
BasketballPass	+0.37%	+0.65%	+0.87%	+1.11%	+0.75%
BlowingBubbles	+0.09%	+2.65%	+1.32%	+0.99%	+1.26%

方案	加密元素	加密方式	ΔPSNR/dB	ΔSSIM	兼容性
参考文献[11]方案	HEVC标准头信息	混沌密钥	--	-	否
参考文献[12]方案	mvd_sign+residual sign	AES	-22.1	-0.680%	是
参考文献[13]方案	帧内预测模式和运动残差以及量化变换符号	AES	-30.05	-0.610%	是
参考文献[14]方案	coeff_remain的TR后缀码和k阶指数哥伦布的后缀码	混沌序列	-19.785	0.285%	是
本文方案	coeff_flag+coeff_remain	幻方置乱	-29.85	-0.701%	是

基于幻方变换的HEVC熵编码加密方案

A video encryption in HEVC entropy coding based on magic square

在线阅读

PDF下载

可视化

摘要/Abstract

引用本文

使用本文

图/表 14

参考文献 15

相关文章 4

Metrics

推荐阅读 0

[1]	马思伟,罗法蕾,黄铁军. AVS2视频编码标准技术特色及应用[J]. 电信科学, 2017, 33(8): 1-15.
[2]	郭勐,聂秀英,黄更生. 视频编码新技术和新方向[J]. 电信科学, 2017, 33(8): 26-34.
[3]	姚英彪,李晓娟. 基于图像空间相关性与纹理的HEVC块划分快速算法[J]. 电信科学, 2015, 31(1): 32-40.
[4]	李晓举,忽海娜,刘丽. 一种基于H.264 CABAC的视频加密方案[J]. 电信科学, 2010, 26(7): 80-83.